Invloed van hemellichamen op ons klimaat

Een gastbijdrage van Dirk Jan Barreveld.

Het recente rapport van de Intergouvernementele Werkgroep inzake Klimaatverandering, (IPCC-6) stelt dat klimaateffecten van de invloeden van variaties in de zonneactiviteit en van veranderingen in het evenwichtsspel tussen alle leden van ons zonnestelsel minimaal zijn en daarom in feite buiten beschouwing gelaten kunnen worden. In de Frequent Asked Questions (FAQ) 1.3 (What can past climate teach us about the future?) en 2.1 (The Earth’s temperature has varied before) bevestigt men dat nog eens. Dit is volstrekt onjuist. Om dit aan te tonen moeten we terug in een stukje (echte) astronomie. Wat volgt is een artikel dat laat zien dat het IPCC niet alleen in een aantal zaken onjuist is maar ook incorrect.

Ons zonnestelsel
Onze aarde is deel van een zonnestelsel, een groep planeten en manen met de zon als middelpunt, die deel uitmaken van het universum. Deze groep hemellichamen wordt door zwaartekracht bij elkaar gehouden. Het zijn allemaal “bollen” zoals knikkers. Het probleem is dat ze niet zo egaal zijn als knikkers, de aarde heeft een oceaan, de rest niet, de een heeft bergen aan de ene kant en niet aan de andere kant, een ander is afgeplat, weer een ander heeft bobbels of wobbels. Wij hebben een atmosfeer van stikstofgas (78%) en zuurstofgas (21%) een heel klein beetje CO2 (0,03%) en een handjevol andere gassen. Collegaplaneet Venus heeft een atmosfeer die voornamelijk uit koolstofdioxide bestaat. Mercurius lijkt veel op onze maan en heeft helemaal geen atmosfeer en ook geen water. De atmosfeer op Mars bestaat voor het grootste deel uit koolstofdioxide en de atmosfeer van Jupiter bestaat hoofdzakelijk uit waterstof en helium. De overige planeten liggen in de lijn van Jupiter. Alleen op onze planeet aarde heeft leven een kans gehad.

Het klimaat is met niets begonnen
Ruim 4½ miljard jaar geleden zijn we allemaal gelijk begonnen. De eerste zin van de Bijbel (Genesis 1) luidt: In het begin schiep God de hemel en de aarde. De aarde nu was woest en leeg, en duisternis lag over de watervloed is dan ook buitengewoon toepasselijk. Er is niemand, gelovig of ongelovig, die deze start betwijfelt. Het was een Katholieke priester, George Lemaître, die met het idee van de oerknal als begin kwam. Wat was er echter vóór die oerknal?

Niemand heeft daar tot nu toe een steekhoudende verklaring voor gevonden. Vanuit dat prille begin heeft zich een geweldige ontwikkeling voltrokken. Een paar jaar geleden (2018) vond men in West Australië sporen van het eerste leven op land: bacteriën van 3.22 miljard jaar oud. Kort daarvoor, in mei 2017, had men in de Pilbara Craton ook in West Australië, mogelijk al eerdere sporen van leven gevonden dat wellicht 3.48 miljard jaar oud was.1,2

Stelt u zich eens voor: van een Sahara-achtige toestand in het jaar “nul”, met alleen maar zand en rotsen, tot aan Broadway in New York, de Ramblas in Barcelona en een internationaal spacestation hoog in de ruimte. Dit alles kon uitsluitend en alleen omdat er zich een klimaat ontwikkelde waarin dit mogelijk was. Dit klimaat is, first and foremost, een samenspel van de hemellichamen van ons zonnestelsel. We zullen ons eerst met de zon, de ultieme energieverschaffer van ons zonnestelsel. bezighouden

De zon

Figuur 1.Temperatuur en zon instraling over de laatste140 jaar. (Bron: NASA)

Onze zon is een middelgrote ster die het centrum van ons zonnestelsel vormt. Ze is ver uit de belangrijkste bron van energie voor de oceanen, atmosfeer, land en biosfeer van de aarde. De zon is geclassificeerd als een zogenaamde dwergster. Deze benaming is gebaseerd op de lichtsterkte die de zon uitstraalt, niet op de omvang of grootte. Zij staat in een buitenste arm van het Melkwegstelsel en ontwikkelde zich ongeveer 4,6 miljard jaar geleden. De zon is opgebouwd uit zeer heet plasma.1,2 In de natuurkunde verstaat men onder plasma een fase waarin deeltjes van een gasvormige stof enigszins geïoniseerd zijn. De zon bevat ruim 99% van de materie van het zonnestelsel, voornamelijk helium en waterstof. Het binnenste gedeelte van de zon is zo heet en dicht dat er kernfusie plaatsvindt.

De zon als verwarmer van de aarde
Het is dus de zon die de aarde verwarmt, zodat wij een aangenaam leven kunnen hebben. De hoeveelheid energie, gemeten in watts per vierkante meter, die we van de zon ontvangen volgt een 11-jaars ritme. Als we naar de veranderende globale oppervlakte temperaturen (in Celsius) kijken en deze vergelijken met de hoeveelheid energie die we van de zon ontvingen, zie figuur 1, dan is er over de laatste 140 jaar weinig veranderd. Met andere woorden de zon kan het klimaat van de aarde beïnvloeden maar is, zoals duidelijk uit de grafiek blijkt, niet verantwoordelijk voor opwarming van de aarde die we de laatste decennia zien. Ook als we naar de lagen van de atmosfeer kijken blijkt dat er geen vormen van opwarming zijn. Eerlijk gezegd, het blijkt dat de bovenste lagen van de atmosfeer juist afkoelen.3 Wat is nu echter precies de rol van de zon in ons klimaat?

Van zonneactiviteit is bekend dat het varieert in de tijd. Een belangrijke bezigheid in de moderne klimaat-wetenschappen is het vaststellen van de mogelijke klimaateffecten die deze variaties in de zonne-activiteit veroorzaken. Deze discussie, echter, wordt momenteel enigszins overschaduwd door een enigma: volgens rapporten van de Intergouvernementele Werkgroep inzake Klimaatverandering, (IPCC) zouden deze veranderingen ontzettend klein zijn en daardoor weinig te betekenen hebben. Het vijfde evaluatierapport (AR5) van het IPCC (2013) stelt deze veranderingen in zonnestraling op 0.05W/m2, terwijl men het effect van door menselijk handelen veroorzaakte broeikasgassen voor CO2 op 1.68W/m2 en voor CH4 op 0.97W/m2 stelt. De conclusie van het IPCC met betrekking tot stralingsforcering (Radiative Forcing-RF) luidt: De mechanismen die de plaatselijke effecten van de betrekkelijk minimale fluctuaties van de totale zonnestraling (Total Solar Irradiance – TSI) in de ruwweg 11-jarige zonnecyclus versterken hebben betrekking op dynamische interacties tussen de boven en onder atmosfeer of tussen de oppervlakte-temperatuur van de oceanen en de atmosfeer. Zij hebben weinig effect op de gemiddelde globale oppervlaktetemperatuur elders in de wereld.4

In het in 2021 verschenen AR6 rapport gaat de aandacht nog veel sterker uit naar de invloed van door mensen veroorzaakte broeikasgassen, min of meer nieuw hierbij is de aandacht voor waterdamp in de hogere luchtlagen. In het het Frequent Asked Questions ((FAQ) deel van het Final Government Distribution Chapter1 (IPCC AR6 WGI) stelt men bij vraag 7 (p. 49)5:

One of the biggest challenges in climate science has been to predict how clouds will change in a warming world and whether those changes will amplify or partially offset the warming caused by increasing concentrations of greenhouse gases and other human activities. Scientists have made significant progress over the past decade and are now more confident that changes in clouds will amplify, rather than offset, global warming in the future.

(Een van de grootste uitdagingen in de klimaatwetenschap is om te voorspellen hoe wolken in een opwarmende wereld zullen veranderen en of deze veranderingen de opwarming, veroorzaakt door toenemende concentraties van broeikasgassen en andere menselijke activiteiten, zullen versterken of ten dele zullen verminderen. Wetenschappers hebben de laatste tien jaar grote vorderingen gemaakt en zijn er nu meer zeker van dat veranderingen in het wolkendek de opwarming eerder zal versterken dan verminderen in de naaste toekomst.)

Dat zijn dus aanzienlijke verschillen. Hier staat tegen over dat momenteel ook veel wetenschappelijke studies verschijnen die wijzen op de historisch sterke relatie tussen zonneactiviteiten en klimaatveranderingen. Het is onwaarschijnlijk dat ineens de historische relatie tussen zonneactiviteit en klimaat verdwenen zou zijn. Een belangrijke betrokkenheid van de zon in de hedendaagse klimaatveranderingsproblematiek lijkt dan ook onontkoombaar.

De invloed van de zon op het klimaat
Het is al lang bekend dat er een zeker systeem zit in de veranderingen in de activiteit van de zon, in feite spreekt men van een reeks van zonnecycli. Het reconstrueren van zonneactiviteit in het verleden gebeurt met behulp van zogenaamde kosmische nucleotiden. Kosmische nucleotiden (of isotopen) zijn zeldzame nucleotiden die gecreëerd worden als een kosmische straling met en hoge energie interageert met de kern van een atoom uit het zonnestelsel.6 Voorbeelden er van zijn 14C, 10Be of 36CI.14C is een instabiele radioactive isotoop die gebruikt wordt voor koolstofdatering van organisch materiaal. De methode is bruikbaar voor materialen tot circa 60.000 jaar oud.7

10Be heeft een heel lange vervaltijd (1,39 miljoen jaar).8 Het kan daarom heel goed gebruikt worden om geologische processen zoals erosie en vorming van sedimentaire lagen te volgen. 36Cl is een radioactieve isotoop van het element chloor. Door de lange halfwaardetijd (301.300 ± 1,500 jaar) is chloor-36 uitermate geschikt bij de datering van grondwaterlagen en andere geologische en hydrologische verschijnselen (tussen 60.000 en 1 miljoen jaar oud)9.

In de zonneactiviteit spelen zonnevlekken een belangrijke rol. Zonnevlekken zijn donkere, koele plekken op het oppervlakte van de zon in gebieden die men de fotosfeer noemt. Deze fotosfeer is de diepste laag van de atmosfeer van een ster, zoals de zon. Bijna al het licht dat we van een ster waarnemen, komt uit diens fotosfeer. De fotosfeer heeft een temperatuur van 5.800 graden Kelvin. De Kelvin is de eenheid van thermodynamische temperatuur, een van de zeven basiseenheden van het SI-stelsel. De schaal is genoemd naar de Britse fysicus William Thomson, die later in de adelstand werd verheven als Lord Kelvin.

Zonnevlekken hebben een temperatuur van ongeveer 3.800 graden Kelvin. Zonnevlekken kunnen enorm groot zijn, soms wel tot 50.000 vierkante kilometer (Nederland is bijna 42.000 km2). Zonnevlekken ontstaan door interacties van het magnetisch veld van de zon die nog niet goed zijn begrepen. De vlekken worden wel eens vergeleken met een fles soda: schud het goed en je creëert een grote eruptie. Zonnevlekken komen voor in gebieden van intensieve magnetische actie. Zodra de energie vrijkomt volgt er een eruptie van zonnevlammen en zware stormen die men coronale massa-ejecties noemt.10 Figuur 2 geeft een overzicht van de diverse cycli van de zon.

Figuur 2. Zonnecycli.

Schwabe zonnecyclus.

Dit is de 11-jarige cyclus van zonneactiviteit, en samenhangend daarmee de periode waarin het aantal zonnevlekken op de zon varieert. De cyclus is niet helemaal constant, zij varieert van 9 tot 14 jaar. Het laatste zonneminimum was in 2009, het laatste zonnemaximum in 2013. De zonnecyclus valt samen met het omkeren van het magnetisch veld van de zon gemiddeld elke 11 jaar. Er zijn drie factoren die door
zonneactiviteit invloed op het klimaat kunnen hebben:

• De totale zoninstraling (Radiative Forcing)
• Ultraviolette zonnestraling
• Solar wind

Pogingen om de invloed van de cyclus op het weer en het klimaat vast te stellen hadden tot nu toe beperkt succes. Metingen van onder andere SORCE (Spectral Irradiance Monitor) laten zien dat ultraviolette straling koudere winters in de V.S. en in Europa produceren en warmere winters in Canada en Zuid Europa.11,12 Onderzoek van fossielen heeft aangetoond dat de cyclus voor ten minste de laatste 700 miljoen jaar stabiel is.13

Figuur 3. De Schwabe zonnecyclus.

Hale zonnecyclus.

Hale (1868-1938) deed onderzoek naar de Schwabe zonnecyclus en ontdekte niet alleen dat de zonnevlekken sterk magnetisch waren, maar ook dat de complete magnetische cyclus niet 11 maar 22 jaar was. Reconstructies voor de wereldwijde temperatuurontwikkeling tonen een opwaarts gerichte oscillatie voor de periode vanaf de 1880’s t/m de 1980’s. De oscillatie wordt meestal in verband gebracht met natuurlijke variabiliteit; de temperatuurstijging tussen de jaren 1911 en 1943 blijkt vooral toegeschreven aan toegenomen activiteit van de zon. Zowel de impact van de 11-jarige zonnecyclus (Schwabe cyclus) op de temperatuur als het natuurkundige mechanisme zijn onvoldoende begrepen. Na toepassing van noodzakelijke correcties op de 22-jarige magnetische zonnecyclus (Hale cyclus) voor twee categorieën zonneminima (primaire en secundaire inima) toont de periode 1890-1985 een hoge zonnegevoeligheid: 6,86 °C per W/m2 met een verklaarde variantie van 91%. De impact van lange termijn fluctuaties van de zon blijkt 4,8x groter dan tijdens het korte termijn verloop van de 22-jarige cyclus. Dit impliceert dat de zon tevens verantwoordelijk kan zijn geweest voor een opwarming van 1,13 °C tussen het Maunder minimum aan het eind van de 17de eeuw en het meest recente zonneminimum in jaar 2017. Het resultaat benadrukt dat de Hale cyclus een cruciaal element vormt om de relatie tussen zon en temperatuurontwikkeling beter te begrijpen. In de klimaatmodellen van het IPCC wordt de Hale cyclus genegeerd wat leidt tot onderschatting van de impact van de zon in combinatie met overschatting van de
impact van broeikasgassen en antropogene factoren.14,15

Het Maunderminimum was de periode 1645 – 1715. Het is een periode waarin buitengewoon weinig zonnevlekken te zien waren. Edward Maunder, de ontdekker van dit minimum, vond in een periode van 30 jaar bijvoorbeeld maar 50 zonnevlekken, terwijl dat er normaal tussen de 40.000 en 50.000 moeten zijn. De periode waarin het Maunderminimum optrad tussen (1645 – 1715) viel samen met de zogenaamde “Kleine IJstijd. Geleerden hebben dan ook een sterk vermoeden dat het klimaat op aarde beïnvloed wordt door het aantal zonnevlekken. De zonnevlekkencyclus is onder andere ook terug te zien in de jaartallen dat de Elfstedentocht verreden is.16

Figuur 4. De Gleissberg en Hallstatt cyclus17

Gleissberg zonnecyclus.

De beroemde “11-jaar” zonnecyclus van Schwabe gaf duidelijk inzicht het ontstaan, de ontwikkeling en verdwijning van zonnevlekken en hun groeperingen op het zonneoppervlak. De cyclus, was ontdekt bij Horrebow rond 1770 en herontdekt bij Schwabe in 1843. Vanaf het prille begin was duidelijk dat het niet ging om een perfecte cyclus. Er waren al lang nevenfuncties bekend zoals dat de aanlooptijd tot maxima in het algemeen korter was dan de tijd van teruggang, maar ook dat de hoogte van maxima soms in sterkte van cyclus tot cyclus wisselen en dat de amplitudes van maxima, op lange termijn, een langere periode van zeven of acht 11-jaar cycli volgen. Volgens een onderzoek van Gleissberg (1958), na het voltooien van de eerste continue reeks van relatieve zonnevlekken, bleek dat hoge en lage minima elkaar niet zo maar opvolgden. Twee of drie elkaar opvolgende sterke maxima schenen af te wisselen met een opvolging van twee of drie zwakke minima. Het had er alle schijn van dat er ook nog een een lange cyclus moest zijn. Uiteindelijk leidde het onderzoek tot de ontdekking van de 87-jarige Gleissberg-cyclus.18 Deze cyclus is uniek omdat deze direct gekoppeld kan worden aan de cyclische activiteit van de creatie van zonnevlekken.

Suess/de Vries zonnecyclus.

Uit onderzoek is gebleken dat zonneactiviteit geofysische en heliofysische processen beïnvloed. Lange termijn veranderingen van zonneactiviteit blijken nauw verwant aan klimaatverandering te zijn. Het probleem is echter dat de huidige bekende gegevens slechts de laatste 400 jaar betreffen. Sommige wetenschappers hebben recentelijk met succes geprobeerd om waarnemingen van zonnevlekken met het blote oog uit historische documenten van de periode 200 v. Chr. tot 1918 n. Chr. te distilleren. Het resultaat leverde de bevestiging op van de Suess/de Vries cyclus, een cyclus die een looptijd van 195 tot 235 heeft, gemiddeld 210 jaar. De Suess/de Vries cyclus is vooral duidelijk van 200 v. Chr. tot 400 n.Chr., 800 n. Chr. tot 1340 n. Chr., 1610 n. Chr. tot 1918 n. Chr., met respectievelijk een duur van 211, 195 en 235 jaar.19,20

Eddy zonnecyclus.

Lange termijn veranderingen in het niveau van zonneactiviteiten kan men vinden in historische geschriften en in fossiele 14C bronnen in boomringen. Typische voorbeelden van deze veranderingen zijn het Maunder Minimum (1645-1715), het Spörer Minimum (1400-1510) en het Middeleeuws Klimaat Optimum (1120-1280). Achttien van dit soort nieuwe kenmerken zijn door radiokoolstof onderzoek gevonden in
de laatste 7500 jaar en vergeleken met de wereld klimaatgeschiedenis over deze periode. In ieder geval waar lange termijn zonneactiviteit daalt groeien gletsjers op middel breedtegraden en koelt het klimaat af. In tijden van hoge zonneactiviteit trekken gletsjers zich terug en wordt het klimaat warmer. Het lijkt er op dat veranderingen in het niveau van zonneactiviteit en klimaat een gemeenschappelijke oorzaak hebben: een langzame verandering in de zonne constante met een amplitude van ongeveer 1%.

 

Figuur 5. De Duizend-jarige Eddy cyclus.

Hallstat cyclus. Dit is een cyclus met een looptijd van 2100 tot 2500 jaar die men heeft gedestilleerd uit kosmisch radio-isotopisch onderzoek (14C en 10Be) en in paleoklimaat records door het hele holoceen. Deze cyclus is typisch geassocieerd met zonnevariaties, maar de primaire fysieke oorzaak blijft onzeker. Dit zou kunnen wijzen op een astronomisch origine van deze cyclus. De beweging volgt een zich herhalend patroon van de banen om de zon van de zogenaamde Joviaanse planeten (Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunes). Men ziet hier in sterk bewijs voor een astronomische achtergrond van deze cyclus. Bij een analyse van de periode van 13.000 tot 17.000 v. Chr. vond men ritmische contracties en expansie patronen met een cyclus van 2318 jaar, ezamen met een aantal reeds bekende sneller cycli zoals een 20 jarige, 60 jarige en 82-97jarige (Gleissberg) cyclus. Nauwkeurig onderzoek van de Hallstatt cyclus laat zien dat de cyclus een karakteristieke dubbele piek heeft waarvan de toppen ongeveer 1000 jaar van elkaar verwijdert zijn.21 De Hallstatt cyclus kan dan ook in twee delen verdeeld worden, ieder ongeveer 1000 jaar lang. Deze “semi-Hallstatt cyclus” komt ongeveer overeen met de Eddy cyclus.22. Deze laatste zal naar verwachting in ongeveer 500 jaar haar volgende maximum bereiken

Wat vaak in de discussie over de invloed van de zon op het klimaat vergeten wordt is dat het klimaat beheerst wordt door zaken die gekenmerkt worden door grote traagheid. Het kan decennia (verscheidene 11-jaarlijkse zonnecyclussen) duren voordat globale temperaturen volledig aangepast zijn aan een nieuw zonneactiviteit regiem. Een vertraging tussen de zonnestarter of -trigger en het temperatuur antwoord is begrijpelijk.

Klimaatvertragingen, variërend tussen een paar jaar of een een paar honderd jaar, zijn waargenomen. 23,24,25 Hier komt nog bij de invloed van de effecten van de 60-jarige oceaan cycli zoals de Pacific Decadal Oscillation (PSO) en de Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO).

De planeten en hun manen
Zoals eerder opgemerkt is onze aarde deel van een zonnestelsel, een groep planeten en manen met de zon als middelpunt, die deel uitmaken van het universum. Deze groep hemellichamen wordt door zwaartekracht bij elkaar gehouden. Het zijn allemaal “bollen” zoals knikkers. Het probleem is dat ze niet zo egaal zijn als knikkers, de aarde heeft een oceaan, de rest niet, de een heeft bergen aan de ene kant en niet aan de andere kant, een ander is afgeplat, weer een ander heeft bobbels of wobbels. Kortom, ze hebben allemaal wat. De hemellichamen draaien allemaal als een tol om hun as. Door eerder genoemde onregelmatigheden ontstaan er afwijkingen in de baan die de as van het betrokken hemellichaam volgt. Nu oefenen de hemellichamen allemaal een bepaalde kracht op elkaar af, een kracht die van tal van factoren afhankelijk is, onder meer van de grote en de vorm van de hemellichamen en de afstand tot elkaar. Dit geheel levert een enorme hoeveelheid onderlinge verhoudingen op.

In dit geheel is de zon het centrale element en als zodanig de uiteindelijke energieleverancier van het geheel. Met andere woorden, de zon is de ultieme drijfveer van ons klimaat.27 Het is buitengewoon moeilijk om in dit gehele krachtenspel duidelijk te maken hoe het precies in elkaar zit, wie doet wat en wie heeft welke invloed op een ieder. Al ruim 4½ miljard jaar is de zon de ultieme drijfveer achter het klimaat op aarde, overal in sedimenten, fossiele boomringen, ijsmonsters en dergelijke vinden we een schat aan gegevens. Je zou denken dat de ntergouvernementele Werkgroep inzake Klimaatverandering (IPCC) heel veel aandacht aan de interactie van hemellichamen en klimaat zou besteden. Uiteindelijk is de toekomst gebaseerd op het verleden. Niets is minder waar, in de bijna 4000 pagina’s van het laatste IPCC rapport AR6-Climate Change 2021- komt het onderwerp nauwelijks voor. Men hangt zich volledig op aan de invloed die de mens op het klimaat zou hebben.

De Milankovitch cycli
Ons zonnestelsel is in evenwicht, dat betekent dat alle delen van dit stelsel een zodanige invloed op elkaar uitoefenen dat iedereen op zijn plaats blijft. Dit geheel levert, zoals eerder opgemerkt, een buitengewoon ingewikkeld patroon van onderlinge verhoudingen op. Daar komt nog bij dat de aardas onder een hoek staat en zelf een baan beschrijft. Dat maakt alles nog veel gecompliceerder. Het is een situatie waarin je verschrikkelijk moet oppassen om resultaten van onderzoek op bepaalde delen de juiste waardering en interpretatie te geven. Het was de Serviër Milutin Milankovitch (1879-1958) die er in slaagde om een geheel van astronomische grootheden die cyclische variaties veroorzaken, de zogenaamde Milanckvitch-cycli, te ontwikkelen.

De bewegingen van de aarde
De aarde draait om zijn as en tegelijkertijd in een baan om de zon. Door zwaartekracht-interacties met andere hemellichamen in ons zonnestelsel blijft dit systeem in tact. In dit buitengewoon gecompliceerde systeem spelen een aantal cycli een belangrijke rol: Deze cycli bepalen de intensiteit en de verdeling van de instraling van het zonlicht op aarde en zijn daarmee over langere perioden gezien in belangrijke mate verantwoordelijk voor de variaties in ons klimaat en de klimaatverandering. De variaties zijn complex, enkele cycli voeren echter de boventoon.28

Excentriciteit
In de eerste plaats is er de baan van de aarde om de zon. Deze baan is niet constant maar varieert van bijna cirkelvormig tot enigszins elliptisch (zie ook figuur 6). Men noemt dit verschijnsel de excentriciteit. Dit betekent dat de afstand tot de zon niet constant is maar in de tijd varieert. Hierdoor is de hoeveelheid zon-instraling niet constant.

Figuur 6. De Milankovitch cycli.

Deze excentriciteit varieert in de tijd van bijna cirkelvormig (excentriciteit van 0,005) tot licht elliptisch (excentriciteit 0,028). De huidige excentriciteit bedraagt 0,017. De periodiciteit van de excentriciteit kent 2 schalen: een van 413.000 jaar en een tweede van grofweg 100.000 jaar. Deze variaties in excentriciteit ontstaan door de invloed van de zwaartekracht van de planeten Saturnus en Jupiter. Momenteel is het verschil in afstand tussen het punt van de aardbaan dat het dichtst bij de zon ligt, het zogenaamde perihelim, en het punt dat het verst van de zon verwijderd ligt, het aphelium, 5,1 miljoen kilometer. Dit betekent een verschil van inkomende zonnestraling van 6,8%. Als de baan zijn maximale excentriciteit heeft bereikt bedraagt dit verschil zelfs bijna 23%. Dit zijn dus aanzienlijke effecten die men in de klimaatdiscussie niet buiten beschouwing kan laten. In 2006 was door dit effect op het noordelijk halfrond de zomer 4.66 dagen langer dan in de winter en de lente 2.9 dagen langer dan de herfst.29,30

Obliquiteit, ashelling of axiale variatie
De hoek die de aardas maakt met de loodlijn op het vlak waarin de aarde rond de zon draait varieert van 22,1° tot 24,5°, met een periodiciteit van 41.000 jaar. Het laatste maximum viel 10.700 jaar geleden en bedroeg 24,4°, het volgende minimum zal over 9.800 jaar vallen en uitkomen op ongeveer 22,6°. Nu staat de hoek op 23,5º. Over de afgelopen 5 miljoen jaar schommelde de hoek tussen ongeveer 24,5° en 22,0°. Bij een maximale obliquiteit, van 24,4°, komt de zon juist 1° dichter bij de polen.31 De aardas staat altijd onder de zelfde hoek, dit betekent dat één pool aan één kant van de omloop altijd van de zon af gericht is en een half jaar later juist naar de zon. Deze situatie veroorzaakt de seizoenen op aarde. De zomer op het noordelijk halfrond is de periode wanneer de noordpool naar de zon is toegekeerd. Variaties in de axiale tilt kunnen de seizoenen beïnvloeden en vormen ook een factor in de klimaatverandering op lange termijn. De verschillen tussen zomer en winter zijn overigens niet overal even groot. Bij toenemende obliquiteit neemt de gemiddelde jaarlijkse instraling op hogere breedte toe, terwijl op lagere breedte de instraling afneemt. Op hogere breedte veroorzaakt een lage obliquiteit derhalve zowel een lagere gemiddelde instraling op deze breedte als de afname van instraling in het zomerseizoen. Koele zomers kunnen dan het begin van een ijstijd starten doordat minder sneeuw smelt en de albedo (het weerkaatsingsvermogen) in sommige gebieden sterk verandert.32 De axiale tilt was overigens al rond 110 v. Chr. bekend in landen zoals China en India.33

Precessie
Precessie is de beweging die de draaias van een roterend voorwerp maakt onder invloed van een uitwendige kracht. De aarde is enigszins te vergelijken met een tol die niet precies rechtop staat. De evenaar maakt een hoek met de ecliptica.

Figuur 7. Precessie.

Gedurende de geologische geschiedenis schommelt deze glooiingshoek, of inclinatie, tussen 21,5 en 24,5 graden. De hoek is nu ongeveer 23,5 graden. De zon, de maan en de planeten oefenen krachten uit op de aarde. Door dat een groot deel van het aardoppervlak uit beweegbare oceanen bestaat ontstaan hierdoor de getijden. Deze krachten proberen de inclinatie zodanig te verminderen dat de aardas loodrecht op de ecliptica komt te staan. Deze krachten werken dus tegengesteld aan de zwaartekracht op de aarde als tol. Doordat de aarde om haar as draait, is het resultaat dat de aardas zelf een kegel rondom de pool van de ecliptica beschrijft. Dit uit zich in een verplaatsing van de noordpool aan de hemel, zij beschrijft een cirkel van 23,5 graden rondom de pool van de ecliptica. De periode van de precessie is 26.000 jaar. Op dit moment is de noordelijke hemelpool minder dan één graad van de ster Polaris, alpha Ursae Minoris, verwijderd. Deze ster heet daarom de Poolster. Omstreeks 2800 v.Chr. was Thuban, alpha Draconis, de Poolster. Toekomstige noordelijke poolsterren zijn gamma Cephei (4145 A.D.) en Adleramin, alpha Cephei, (7530 A.D.); over 25.770 jaar zal de hemelpool weer ongeveer met Polaris samenvallen. De verandering van de plaats van de hemelpolen brengt ook een verschuiving van het lentepunt en het herfstpunt met zich mee: elk jaar gaat het lentepunt de zon 50 boogseconden tegemoet.34

Nutatie

Figuur 8. De beweging van een tol of een planeet

De precessie onstaat door een uitwendige kracht op de aarde als draaaiende tol. De nutatie is de beweging van de aardas die ontstaat door inwendige krachten. Men definieert nutatie ook wel eens als de “bibberende” beweging van een tol of een planeet ten gevolge van de massaverdeling binnen het voorwerp.

De nutatie van de aardas werd in 1748 door James Bradley ontdekt. Volgens de bestaande literatuur bedraagt de nutatiekegelhoek hooguit 10 boogseconden. De belangrijkste schommeling heeft een periode van 18,6 jaar, maar er zijn ook kleinere schommelingen met veel kortere periodes, sommigen zelfs van maar enkele dagen.35 De vraag is of dit effect werkelijk zo klein is. De enige literatuur die ik er over kon vinden was een artikel van Leonhard Euler uit 1749 (!).36 Dat is natuurlijk wel heel lang geleden, dat was vóór de tijd van Alfred Wegener (1880-1930) met zijn theorie over het ontstaan van de continenten kwam. Ik herinner me nog heel goed dat op de hbs in de vijftiger jaren mijn leraar Aardrijkskunde geen enkel geloof had in de theorie van Wegener.37 “Drijvende continenten, kom nou, onzin!”

 

Figuur 9. De supercontinenten.

Als we echter naar het ontstaan van de continenten kijken dan kunnen we ons niet aan de indruk onttrekken dat dit grote invloed op de nutatie gehad moet hebben. Alhoewel er mogelijkerwijs eerdere supercontinenten kunnen zijn geweest gaat men in het algemeen er van uit dat Rodinia het eerste was. Dit supercontinent ontstond ongeveer 1000 miljoen jaar geleden. Het supercontinent Pangea ontstond ongeveer 350 miljoen jaar geleden. Uit de restanten van dit continent ontstond rond 200 miljoen jaar geleden Gondwana. Dit laatste supercontinent lag op het zuidelijk halfrond. Het is duidelijk dat als alle continenten samenklonteren op een bepaalde plek dit een enorme massa vormt. Dit moet op de nutatie een grote invloed gehad hebben, vast en zeker meer dat de paar boogminuten van Bradley en Euler. En dat heeft effect op het klimaat.

Er zijn ook twee andere gebeurtenissen die, voor zo ver mij bekend, niet meegerekend zijn in de klimaatproblematiek. Dat is in de eerste plaats de effecten op de nutatie als gevolg van de ijstijden. Op de top van de ijstijden lagen er enorme massa’s ijs op de noord en zuidpool en de gletsjers. Omdat de aardas onder een hoek staat oefenen deze massa’s ook een enorme druk uit op de tol die de aarde is. Dit moet gevolgen hebben gehad voor de nutatie en dat veroorzaakt weer klimaatveranderingen. Tot slot is er het enorme verschil van pakweg 200 m. tussen het laagste en het hoogste niveau van het zeewater in de loop der tijden. Reken eens uit wat voor massa 200 meter verschil over alle oceanen is. Een verschil met de continenten is dat het water beweegbaar is, het vloeit dus keer op keer naar de plek waar de aantrekkingskracht het grootst is. Kortom, de beslissing van het IPCC om de klimaatgeschiedenis buiten beschouwing te laten is buitengewoon naïef. De klimaateffecten van de nutatie’s veroorzaakt door tektonische bewegingen, ijstijden en zeewater niveau verschillen zouden afgetrokken moeten worden van de door het IPCC aan de mens toegeschreven effecten om zo tot een werkelijke waarde van het menselijk gedrag te komen. Dat zou er wel eens heel anders uit kunnen zien dat datgene dat men nu presenteert.

Milankovitch had toch gelijk…
Het was Milankovitch die dit allemaal, exclusief de nutatie, voor het eerst in kaart bracht. Al in 1920 kwam hij met een hypothese dat variaties in de excentriciteit, obliquiteit en precessie resulteerden in cyclische variaties in de zonnestraling die de aarde bereikten en dat orbitale forcering een grote invloed had op het klimaat van de aarde.

Pas in 1976, dus lang na de dood van Milankovitch (1958), kwamen de bewijsstukken voor zijn theorie boven water. Analyses van monsters uit de diepe oceanen en meren en een wetenschappelijke publicatie door de wetenschappers Hays, Imbrie en Shakelton maakten de zaak rond.38 In 2007 kon men, aan de hand van boormonsters in Arizona en ijskernen van Antarctica de klimaat-geschiedenis van de aarde over de laatste 215 miljoen jaar reconstrueren.39

Van alle cycli waarmee de aarde te maken had was de obliquiteit, de helling van de aardas, volgens Milankovitch het belangrijkste voor het klimaat van de aarde. Dit gebeurde vooral door schommelingen in de zomer op de hogere breedten op het noordelijk halfrond. Hij berekende een periode van 41.000 jaar tussen twee ijstijden.40,41 Later onderzoek heeft echter aangetoond dat de cyclus van de Kwartaire IJstijden de laatste paar miljoen jaar ongeveer 100.000 jaar is geweest.42,43 Dit komt overeen met de excentriciteit’s omloop.

Milankovitch parameters kunnen niet alle klimaatveranderingen verklaren
Als we over de laatste 2,5 miljoen jaar terugkijken dan zien we dat de parameters van Milankovitch niet alle klimaatveranderingen kunnen verklaren. En, nog belangrijker, zij kunnen ook geen verklaring geven voor de snelle opwarming van de aarde sinds de pre-industriële periode (1850 – 1900) en in het bijzonder de periode sinds het midden van de 20e eeuw. Wetenschappers wijten de huidige opwarming voornamelijk aan menselijk handelen, met name de sterke toename van broeikasgassen als gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen.

Het probleem met de Milankovitch cycli is dat ze alleen werken op de lange en heel lange tijd, van tienduizenden tot honderdduizenden jaren. De huidige opwarming van de aarde vind echter plaats over decennia en een paar honderd jaar op zijn hoogst. De laatste 150 jaar is de instraling van de zon nauwelijks veranderd, we zagen dat al in figuur 1. NASA,44 in feite, heeft men geconstateerd dat de laatste 40 jaar de instraling van de zon zelfs iets is gedaald.45Aan de andere kant is het zo dat de Milankovitch cycli slechts één factor is die een rol speelt is. Er is ook nog de zon zelf.

Conclusie
Het bovenstaande laat zien dat de achtergronden van ons klimaatprobleem veel verder gaan dan broeikasgassen. Behalve de hierboven beschreven invloeden zijn er, eerlijk gezegd, nog veel meer. Zo zijn er bijvoorbeeld ook nog de apsis precessie en het probleem van de orbitale helling. Kort samengevat, ons zonnestelsel is één geheel dat elkaar in evenwicht houdt. De hemellichamen in dit zonnestelsel zijn lang niet allemaal even groot en zijn ook geen perfecte bollen. De een is meer afgeplat dan de ander, de een (de aarde) heeft oceanen, de anderen hebben die niet. Dit alles leidt tot een zeer gecompliceerd wiskundig rekenmodel.

***

Over de schrijver:
Dirk Jan Barreveld is gepensioneerd gedragswetenschapper (Erasmus Universiteit 1973), statisticus, stuurman GHV, marine officier (opgeleid tot meteoroloog), oud Bedrijfsleider Schiphol en transportconsultant van Wereldbank en Asian Development Bank. Hij schreef o.m. boeken over Olivier van Noort, Ontdekking Kaap Hoorn, expeditie Mahu en Cordes en een aantal boeken in de serie Air Crash Investigations. Zijn laatste boek (Nederland en de Ondergang van Suriname) kwam onlangs uit.

 

Noten
1 Brown, Laurie M.; Pais, Abraham; Pippard, A.B., eds. (1995). Twentieth Century Physics. Bristol, UK; New York, NY:
Institute of Physics, American Institute of Physics. p. 1696.

2 JUDGE, P., The Sun: A very short introduction. Oxford University Press (2020), p. 52. ISBN 978-0-19-883269-0.

3 In Depth: Our Sun. Solar System Exploration. NASA (15-10-2021).

4 https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2020/05/WGI_AR5_FAQ_EN.pdf

5 Frequent Asked Questions ((FAQ) deel van het Final Government Distribution Chapter 1 (IPCC AR6 WGI) stelt men bij
vraag 7 (p. 49):

6 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. p.13–15.
ISBN: 978-0-08-037941-8.

7 Taylor, R.E.; Bar-Yosef, Ofer (2014). Radiocarbon Dating (2nd ed.). Walnut Creek, California: Left Coast Press. ISBN: 978-1-59874-
590-0. P. 268

8 G.A. Kovaltsov; I.G. Usoskin (2010). “A new 3D numerical model of cosmogenic nuclide 10Be production in the atmosphere”. Earth Planet. Sci. Lett. 291 (1–4): 182–199. Bibcode:2010E&PSL.291..182K. doi:10.1016/j.epsl.2010.01.011.

9 Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S. (2017). “The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties” (PDF).
Chinese Physics C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:

10 1088/1674-1137/41/3/030001. 10 https://www.space.com/14736-sunspots-sun-spots-explained.html

11 Weart, Spencer (2003). “Changing Sun, Changing Climate?”. The Discovery of Global Warming. Harvard University Press. ISBN
978-0-674-01157-1. 2008.

12 Ineson S.; Scaife A.A.; Knight J.R.; Manners J.C.; Dunstone N.J.; Gray L.J.; Haigh J.D. (October 9, 2011). “Solar forcing of winter climate variability in the Northern Hemisphere” (PDF). Nature Geoscience. 4 (11): 753–7. Bibcode:2011 NatGe…4..753I. doi:10.1038/ngeo1282. hdl:10044/1/18859.

13 Luthardt, Ludwig; Rößler, Ronny (February 2017). “Fossil forest reveals sunspot activity in the early Permian”. Geology. 45 (2):
279. Bibcode:2017Geo….45..279L. doi:10.1130/G38669.1. S2CID 132999292.

14 http://klimaatcyclus.nl/klimaat/peer-review.htm 15 https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2002JA009390 16 John E. Beckman & Terence J. Mahoney (1998). The Maunder Minimum and Climate Change: Have Historical Records Aided
Current Research?. Library and Information Services in Astronomy III. ASP Conference Series. 153. Instituto de Astrofísica de Canarias,
Tenerife: Astronomical Society of the Pacific.

17 Gebaseerd op de Modified International Sunspot Numbers (MISN; Clette et al., 2015), achterwaarts verlengd van 1705 tot 290 met behulp van de Schove tijd series.l

18 Alexei N. Peristykh, Paul E. Damon, https://doi.org/10.1029/2002JA009390 , January 2003

19 Ma, Lihua, Vaquero, José M. , New evidence of the Suess/de Vries cycle existing in historical naked-eye observations of sunspots, Open Astronomy, Volume 29, Issue 1, pp.28-31, May 2020 DOI: 10.1515/astro-2020-0004 Bibcode: 2020 OAst…29…28M

20 Horst-Joachim Lüdecke, Alexander Hempelmann, Paleoclimate forcing by the solar De Vries/Suess cycle Climate of the Past Discussions 11(1):279-305 DOI:10.5194/cpd-11-279-2015, February 2015

21 Steinhilber, F., Abreu, J.A., Beer, J., Brunner, I., Christl, M., Fischer, H., Heikkila ̈, U., Kubik, P.W., Mann, M., McCracken, K.G., Miller, H., Miyahara, H., Oerter, H., Wilhelms, F., 2012. 9400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings. Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (16), 5967e5971.

22 Abreu, J.A., Beer, J., Ferriz-Mas, A., 2010. Past and future solar activity from cosmogenic radionuclides. In: Cranmer, S.R.,
Hoeksema,J.T., Kohl, J.L. (Eds.), SOHO-23: Understanding a Peculiar Solar Minimum, ASP Conference Series, vol. 428,
pp. 287e295.

23 Eichler, A., Olivier, S., Henderson, K., Laube, A., Beer, J., Papina, T., Ga ̈ggeler, H.W., Schwikowski, M., 2009.
Temperature response in the Altai region lags solar forcing. Geophysical Research Letters 36, 1e5.

24 Perry, C.A., 2007. Evidence for a physical linkage between galactic cosmic rays and regional climate time series. Advances in Space Research 40, 353e364.

25 Ratnam, M.V., Santhi, Y.D., Kishore, P., Rao, S.V.B., 2014. Solar cycle effects on Indian summer monsoon dynamics. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 121 (Part B), 145e156.

26 https://pubs.usgs.gov/fs/fs-0095-00/fs-0095-00. (pdf The Sun and Climate)

27 https://climate.nasa.gov/faq/14/is-the-sun-causing-global-warming/

28 Girkin AM (2005). A Computational Study on the Evolution of the Dynamics of the Obliquity of the Earth (PDF) (Master of Science thesis). Miami University.

29 Data from United States Naval Observatory

30 Berger A.; Loutre M.F.; Mélice J.L. (2006). “Equatorial insolation: from precession harmonics to eccentricity frequencies” (PDF). Clim. Past Discuss. 2 (4): 519–533. doi:10.5194/cpd-2-519-2006.
United States Naval Observatory

31 Alan Buis, NASA’s Jet Propulsion Laboratory (February 27, 2020). “Milankovitch (Orbital) Cycles and Their Role in Earth’s Climate”. climate.nasa.gov. NASA. Over the last million years, it has varied between 22.1 and 24.5 degrees. … The greater Earth’s axial tilt angle, the more extreme our seasons are, …. Larger tilt angles favor periods of deglaciation (the melting and retreat of glaciers and ice sheets). These effects aren’t uniform globally — higher latitudes receive a larger change in total solar radiation than areas closer to the equator. … Earth’s axis is currently tilted 23.4 degrees, …. As ice cover increases, it reflects more of the Sun’s energy back into space, promoting even further cooling. Note: See Axial tilt. Zero obliquity results in minimum (zero) continuous insolation at the poles and maximum continuous insolation at the equator. Any increase of obliquity (to 90 degrees) causes seasonal increase of insolation at the poles and causes decrease of insolation at the equator on any day of the year except an Equinox.

32 Wittmann, A. (1979). “The Obliquity of the Ecliptic”. Astronomy and Astrophysics. 73 (1–2): 129–131. Bibcode:1979A&A….73..129W.

33 Schaub, Hanspeter (2003), Analytical Mechanics of Space Systems, AIAA, pp. 149–150, ISBN: 9781600860270

34 Hays JD, Imbrie J, Shackleton NJ (December 1976). “Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages”. Science. 194 (4270): 1121–32. Bibcode:1976Sci…194.1121H. doi:10.1126/science.194.4270.1121. PMID 17790893. S2CID 667291.

35 Jean Meeus. Astronomical Algorithms, 1998. ISBN 978-0943396613

36 Leonhard Euler, Recherches sur la préecession des equinoxes et sur la nutation de l’axe de la terr, in Opera Omnia, vol. II.30, p. 92-123, originally in Mémoires de l’académie des sciences de Berlin 5 (1749), 1751, p. 289-325

37 Alfred Wegener, Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. Vieweg, Braunschweig 1915.

38 Hays JD, Imbrie J, Shackleton NJ (December 1976). “Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages”. Science. 194 (4270): 1121–32. Bibcode:1976Sci…194.1121H. doi:10.1126/science.194.4270.1121. PMID 17790893. S2CID 667291.

39 Bakalar N (2018-05-21). “Every 202,500 Years, Earth Wanders in a New Direction”. New York Times.

40 Milankovitch M (1998) [1941]. Canon of Insolation and the Ice Age Problem. Belgrade: Zavod za Udz benike i Nastavna Sredstva. ISBN 78-86-17-06619-0.; see also “Astronomical Theory of Climate Change”.

41 Imbrie J, Imbrie KP (1986). Ice Ages: Solving the Mystery. Harvard University Press. p.158. ISBN 978-0-674-44075-3.

42 Shackleton NJ, Berger A, Peltier WR (3 November 2011). “An alternative astronomical calibration of the lower Pleistocene timescale based on ODP Site 677”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh: Earth Sciences. 81 (4): 251–261. doi:10.1017/S0263593300020782.

43 Abe-Ouchi A, Saito F, Kawamura K, Raymo ME, Okuno J, Takahashi K, Blatter H (August 2013). “Insolation-driven 100,000-year glacial cycles and hysteresis of ice-sheet volume”. Nature. 500 (7461): 190–3. Bibcode:2013Natur.500..190A.
doi:10.1038/nature12374. PMID 23925242. S2CID 4408240.

44 National Aeronautics and Space Administration 45 Buis, Alan, Why Milankovitch cycesi can not explain Earth current warming, February 27, 2020.

***